Das Magnetronsputtern ist ein Verfahren zur Herstellung dünner Schichten durch den Ausstoß von Atomen aus einem Zielmaterial. Bei diesem Verfahren wird ein Plasma erzeugt, ein Materiezustand, bei dem ein Gas elektrisch geladen wird. Im Folgenden wird vereinfacht dargestellt, wie das Plasma beim Magnetronsputtern erzeugt wird.
6 Schritte zur Plasmaerzeugung beim Magnetronsputtern
1. Einrichten der Vakuumkammer und Einleiten des Gases
Der Prozess beginnt mit der Erzeugung eines Hochvakuums in einer Vakuumkammer. Dadurch werden Verunreinigungen vermieden und der Druck der Hintergrundgase reduziert. Sobald der Basisdruck erreicht ist, wird ein Sputtergas, normalerweise Argon, in die Kammer eingeleitet. Der Druck wird mit Hilfe eines Druckkontrollsystems im Bereich von Milli Torr gehalten.
2. Einleiten der Plasmaerzeugung
Zwischen der Kathode (Targetmaterial) und der Anode wird eine Hochspannung angelegt. Diese Spannung löst die Plasmaerzeugung aus. Die benötigte Spannung hängt von dem verwendeten Gas und seinem Druck ab. Für Argon beträgt das Ionisierungspotenzial etwa 15,8 Elektronenvolt (eV).
3. Erhöhung der Plasmaeffizienz durch ein Magnetfeld
Beim Magnetronsputtern wird ein geschlossenes Magnetfeld über die Oberfläche des Targets gelegt. Dieses Magnetfeld erhöht die Effizienz der Plasmaerzeugung, indem es die Kollisionen zwischen Elektronen und Argonatomen in der Nähe der Target-Oberfläche verstärkt. Die Elektronen im Plasma bewegen sich aufgrund des Magnetfelds, das von den hinter dem Target angeordneten Magneten erzeugt wird, spiralförmig um das Target. Diese spiralförmigen Elektronen stoßen mit nahe gelegenen Atomen zusammen, ionisieren sie und erhöhen die Plasmaproduktion und -dichte.
4. Ionenbombardement und Sputtern
Das erzeugte Plasma bringt ionisierte Gasatome (Ionen) dazu, mit der Oberfläche des Targets zu kollidieren. Durch diese Zusammenstöße werden Atome von der Oberfläche des Targets abgelöst, ein Vorgang, der als Sputtern bezeichnet wird. Die herausgeschleuderten Atome lagern sich dann auf dem Substrat ab und bilden einen dünnen Film.
5. Variationen des Magnetronsputterns
Bei der herkömmlichen Magnetron-Sputter-Methode konzentriert sich das Plasma über dem Target, was zu einem starken Ionenbeschuss und einer möglichen Beschädigung der Schicht auf dem Substrat führen kann. Um dies abzumildern, wird das unbalancierte Magnetronsputterverfahren eingesetzt. Hier ist das Magnetfeld so angeordnet, dass sich das Plasma ausbreitet, wodurch die Ionenkonzentration in der Nähe des Substrats verringert und die Schichtqualität verbessert wird.
6. Arten von Magnetrons
Die in Sputteranlagen verwendeten Magnetrons können entweder Gleichstrom (DC) oder Hochfrequenz (RF) sein. Die Wahl hängt von der gewünschten Abscheiderate, der Schichtqualität und der Materialverträglichkeit ab. DC-Magnetrons werden mit Gleichstrom betrieben, während RF-Magnetrons mit einer Hochfrequenz-Stromversorgung arbeiten.
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